1、中国石油大学（北京）远程教育学院期 末 考 试 钻井工程学习中心：_ 姓名：_李 兵_ 学号：_936203_ 一、名词解释（每小题 5 分，共 20 分）1.井斜方位角: 某点处的井眼方向线投影到水平面上，成为井眼方位线，或井斜方位线。以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼方位线上所转过的角度，即井眼睛方位角，即井眼方位角。2.硬关井: 发现井涌后，在节流阀关闭的情况下关闭防器。本方法关井最迅速，地层流体侵入井眼最少。但在防喷器关闭期间，由于环空流体由流动突然变为静止，对井口装置将产生水击作业。其水击波又会反作用于整个环空，也作用于套管鞋处及裸眼地层。严重时，可以损害井口装置，并有可能压漏
2、套管鞋处地层及下部裸眼地层。3.欠平衡钻井: 欠平衡钻井又叫负压钻井，是指在钻井时井底压力小于地层压力，地底的流体有控制地进入井筒并且循环到地面上的钻井技术。4.岩石的可钻性: 是钻进时岩石抵抗机械破碎能力的量化指标。岩石可钻性是工程钻探中选择钻进方法、钻头结构类型、钻进工艺参数，衡量钻进速度和实行定额管理的主要依据。二、简答题（每小题 10 分，共 40 分）1.钟摆钻具组合的防斜原理答：当钟摆摆过一定角度时，在钟摆上会产生一个向回摆的力，称作钟摆力。显然，钟摆摆过的角度越大，钟摆力就越大。如果在钻柱的下部适当位置加一个扶正器，该扶正器支撑在井壁上，使下部钻柱悬空，则该扶正器以下的钻柱就好像
3、一个钟摆，也要产生一个钟摆力，此钟摆力的作用是使钻头切削井壁的下侧，从而使新钻的井眼不断降斜。2.钻井液的功用答：（1）从井底清除岩屑； （2）冷却和润滑钻头和钻柱； （3）造壁性能； （4）控制地层压力； （5）循环停止时悬浮钻屑和加重材料，防止下沉； （6）从所钻地层获得资料； （7）传递水力功率。3. 射流清洁井底的机理答：（1）射流的冲击压力作用。射流撞击井底后形成的井底冲击压力波并不是作用在整个井底，而是作用在某些小圆面积上。就整个井底而言，射流作用的面积内压力较高，而射流作用的面积以外压力较低。在射流的冲击范围内，冲击压力也极不均匀，射流作用的中心压力最高，离开中心则压力急剧下降。
4、另外，由于钻头的旋转，射流作用的小面积在迅速移动，本来不均匀的压力分布又在迅速变化。由于这两个原因，使作用在井底岩屑上的冲击压力极不均匀，极不均匀的冲击压力使岩屑产生一个翻转力矩，从而离开井底，这就是射流对井底岩屑的冲击翻转作用。（2）漫流的横推作用，射流撞击井底后形成的漫流是一层很薄的高速液流层，它对井底岩屑产生一个横向推力，使起离开原来的位置，进入环空。4. 钻柱的功用答：（1）为钻井液由井口流向钻头提供通道；（2）给钻头施加适当的压力（钻压） ，使钻头的工作刃不断吃入岩石；（3）把地面动力（扭矩等）传递给钻头，使钻头不断旋转破碎岩石；（4）起下钻头；（5）根据钻柱的长度计算井深；（6）通
5、过钻柱可以观察和了解钻头的工作情况、井眼状况及地层情况等；（7）进行取心、挤水泥、打捞井下落物，处理井下事故等特殊作业；（8）对地层流体及压力状况进行测试与评价，及钻杆测试等。三、课程设计（共 40 分）设计任务：XX 油区 XX 凹陷一口直井生产井的钻井与完井设计。设计内容：（其中打“”部分必须设计，其他部分可选做或不做） 。1.地质设计摘要（） ；2.井身结构设计（） ；3.固井工程设计：套管柱强度设计（） ；4.钻柱组合和强度设计（） ；5.钻机选择（） ；6.钻进参数设计：（1）机械破岩参数设计（包括钻头选型，所有钻头选用江汉钻头厂牙轮钻头、选取钻压和转速） （） ；（2）钻井液体系及
6、性能设计（仅设计钻井液密度，其它参数不作要求）（3）水力参数设计（） ；（4）钻柱与下部防斜钻具结构（） 。考核方式及成绩评定（1）格式、规范：4 分，评分依据：工程设计规范；评分标准：4符合程度。（2）设计的依据与原则准确性：12 分，评分依据：工程设计依据与原则；评分标准：12符合程度。（3）过程的参数选择的合理性和计算过程的可靠性：12 分，评分依据：参数符合工程实际，计算过程可靠；评分标准：12符合程度。（4）结果准确性：12 分。基础数据：1.地质概况：见后附设计样例表 A1。2.设计井深：H=3000 + 4100 + 学号的后二位数字 3 （m）3.地层压力和破裂压力剖面：根据图
7、 A1，地层压力梯度的当量钻井液密度由 1.00g/cm3 变为 1.10g/cm3 的井深按以下规律取值：H=3000 + 4100 + 学号的后二位数字 3 （m）4.设计系数：见表 A-2 和表 A-3，其他数据查钻井手册 （甲方）和参考书。5.水力参数设计数据见表 A-4。6.钻柱设计数据见参数书 2。7.完井方式：先期裸眼完井，177.8mm(7 ”)生产套管。附录1.地质概况表 A-1井 别 探 井 井 号 A5 设计井深 目的层 JQ坐标地面海拔 m 50纵（ ）m 4275165横（ ）m 20416485y井位测线位置 504 和 45 地震测线交点地理位置 XX 省 XX
8、市东 500m构造位置 XX 凹陷钻探目的 了解 XX 构造 含油气情况，扩大勘探区域，增加后备油气源JQ完钻原则 进入 150m 完钻J完井方法 先期裸眼层位代号 底界深度，m 分层厚度，m 主要岩性描述 故障提示A 280 砾岩层夹砂土,未胶结 渗漏B 600 320 上部砾岩,砂质砾岩,中下部含砾砂岩 渗漏C 1050 450中上部含砺砂岩、夹泥岩和粉砂质泥岩；下部砺状砂岩，含砺砂岩、泥岩、粉砂质泥岩不等厚互层防塌D 1600 泥岩、砂质泥岩、砺状砂岩、含砺砂岩不等厚互层，泥质粉砂岩 防漏防斜E 1900 300 砂质泥岩、泥质粉砂岩、夹砺状砂岩、含砺砂岩 防斜防漏F3 2650 750
9、 泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩 防斜F2J 2900 250泥岩夹钙质砂岩，夹碳质条带煤线，中部泥岩夹煤层、下部泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩防斜、塌、卡F2K 3150 250 泥岩为主，泥质粉砂岩，中粗砂岩，砂砾岩间互F1 3500 350 泥岩、泥质砂岩、下部灰褐色泥岩 防漏、喷、 卡QJ 3650(未穿) 150 深灰，浅灰色灰岩为主，间夹褐，砖红色泥岩 防漏、喷、 卡2.井身结构设计钻探目的层为 灰岩地层，确定完井方法为先期裸眼完井。油气套管下入J层 35m。J根据地质情况，钻达目的层过程中不受盐岩，高压水层等复杂地层影响，故井身结构设计按地层压力和破裂压力剖面（图 A1）进行。图 A-1
10、 地层压力和破裂压力设计系数见表 A-2。表 A-2 井深结构设计有关系数名称 Sg/cm3gg/cm3fSg/cm3kg/cm3NPMPaaMPa数值 0.05 0.05 0.03 0.05 15 20来源 理论计算 理论计算 区域资料统计 区域资料统计 区域资料统计 区域资料统计表 A-3 各层段地层可钻级值地 层 A B C D E F3 F2J F2K F1 QJ可钻性值 0.6 1 1.39 2.16 3 3.5 7.3 5.2 4.9 3.水力参数设计（1）泥浆泵型号与性能表 A-4 水力参数设计数据3NB1000 钻井泥浆泵（两台，可仅用一台）缸套直径（mm） 额定泵冲（次 分）
11、 额定排差（L S） 额定泵压（Mpa）120 150 19.9 33.1130 150 23.4 28.2140 150 27.1 24.3150 150 31.1 21.2160 150 35.4 18.6170 150 40.0 16.5（2）钻井液性能其它参数地面泵压不超过 20MpaKg=1.07*10 Mpa S L38.1环空返速不低于 0.7m/s，不高于 1.2m/s钻井液塑性粘度 0.0047pa.S三、课程设计：设计任务：XX 油区 XX 凹陷一口直井生产井的钻井与完井设计。1 地质设计摘要1.1 地质概况该探井位于 504 和 45 地震测线交点，距 XX 省 XX 市
12、东 500m，所在的地质构造为 XX 凹陷，该井海拔较低，钻该井目的是通过打开 层来了解该层的油气情JQ况矿大该油区的勘探范围，增加油区的总体油气后备储量。表 A-1井别 探井 井号 A5 设计井深 目的层 J坐标地面海拔 m 50纵（ ）m 4275165横（ ）m 20416485y测线位置 504 和 45 地震测线交点地理位置 XX 省 XX 市东 500m井位构造位置 XX 凹陷钻探目的 了解 XX 构造 含油气情况，扩大勘探区域，增加后备油气源JQ完钻原则 进入 150m 完钻JQ完井方法 先期裸眼层位代号 底界深度，m 分层厚度，m 主要岩性描述 故障提示A 280 砾岩层夹砂土
13、,未胶结 渗漏B 600 320 上部砾岩,砂质砾岩,中下部含砾砂岩 渗漏C 1050 450中上部含砺砂岩、夹泥岩和粉砂质泥岩；下部砺状砂岩，含砺砂岩、泥岩、粉砂质泥岩不等厚互层防塌D 1600 泥岩、砂质泥岩、砺状砂岩、含砺砂岩不等厚互层，泥质粉砂岩 防漏防斜E 1900 300 砂质泥岩、泥质粉砂岩、夹砺状砂岩、含砺砂岩 防斜防漏F3 2650 750 泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩 防斜F2J 2900 250泥岩夹钙质砂岩，夹碳质条带煤线，中部泥岩夹煤层、下部泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩防斜、塌、卡F2K 3150 250 泥岩为主，泥质粉砂岩，中粗砂岩，砂砾岩间互F1 3500 350
14、泥岩、泥质砂岩、下部灰褐色泥岩 防漏、喷、 卡QJ 3650(未穿) 150 深灰，浅灰色灰岩为主，间夹褐，砖红色泥岩 防漏、喷、 卡1.2 地质基本数据1.2.1 井 号：A5 1.2.2 井 别：生产井1.2.3 井 位：(1)井位座标：纵（X）4275165横（Y）20416485(2)地面海拔：50m(3)地理位置：XX 省 XX 市东 500m(4)构造位置：XX 凹陷(5)过井测线：504 和 45 地震测线交点1.2.4 设计井深： H=3000+4100+33=3409m（学号：936203）1.2.5 目的层： 层，底层深度 3409m，分层厚度 150mJQ1.2.6 完钻
15、层位： A、B、C、D、E、F3、F2J、F2K、F1、QJ1.2.7 完钻原则：先期裸眼完井1.2.8 钻探目的：了解 XX 构造 含油气情况，扩大勘探区域，增加后备油气源JQ2 井身结构设计2.1 井下复杂情况提示2.1.1 在本井的钻井过程中，现场有关技术人员应充分了解、分析邻井事故复杂情况，防止事故的发生，及时处理好工程复杂。注意观察地震对钻井的影响：井漏：井漏深度及层位；井斜：易斜井段及对应层位；井喷：易井喷井段及对应层位。2.1.2 进入目的层，应根据实钻情况及时调整泥浆密度，注意防喷、防漏和防卡，一方面要搞好油气层的发现，保护工作，另一方面要切实搞好井控工作，确保安全施工。2.1
16、.3 根据油田分公司钻开油气层申报制度要求，由地质监督以书面形式向钻井监督和井队提出油气层预告；原则：1）钻揭目的层前 7 天。2）目的层提前或非目的层发现油气显示要立即通知。3）邻井没有发现 H2S 气体，但本井应密切监控。行业标准中 H2S 的安全临界浓度为 20mg/m3（约 14PPm） ，若发现 H2S，无论浓度高低，都要向勘探事业部的钻井技术部及 HSE 管理办公室、生产技术处和质量安全环保处报告，同时作业队伍要向所属的上级部门报告。2.2 地层可钻性分级及地层压力预测2.2.1 地层可钻性分级地 层 A B C D E F3 F2J F2K F1 QJ可钻性值 0.6 1 1.3
17、9 2.16 3 3.5 7.3 5.2 4.92.2.2 压力剖面预测 2.3 井身结构设计系数钻探目的层为灰岩地层，确定完井方法为先期裸眼完井。根据地质情况钻达目的层过程中不受盐岩，高压水层等复杂地层影响，故井身结构设计按地层压力和破裂压力剖面进行。井深结构设计系数如下表所示。名称 Sg/cm3gg/cm3fSg/cm3kg/cm3NPMPaaMPa数值 0.05 0.05 0.03 0.05 15 20来源 理论计算 理论计算 区域资料 区域资料 区域资料 区域资料统计 统计 统计 统计钻井液的压力体系最大钻井液密度(2-1)bpmaaxSx式中 某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度， ；
18、 max 3g/cm 该井段中所用地层孔隙压力梯度等效密度， ；p 抽吸压力允许值的当量密度，取 0.036 。bS 3/c发生井涌情况= + +S + (2-2) fnkpmaxbSfniHSkpmax 第 n 层套管以下井段发生井涌时，在井内最大压力梯度作用下，fnk上部地层不被压裂所应有的地层破裂压力梯度， ；3g/c 第 n 层套管下入深度初选点，m；niH 压井时井内压力增高值的等效密度, 取 0.06 ；kS 3/cm 地层压裂安全增值，取 0.03 。sf 3g/c校核各层套管下到初选点时是否会发生压差卡套(2-3)3pminbpmax2 10)(81.9SHPr 第 n 层套管
19、钻进井段内实际的井内最大静止压差，MPa；rnp 该井段内最小地层孔隙压力梯度等效密度， ；mi 3g/cP 避免发生压差卡套的许用压差，取 12 MPa； 该井段内最小地层孔隙压力梯度的最大深度，m 。H套管层次的确定1.确定油层套管下入深度 H1因为井深 H=3409m,所以油层套管下入深度 H =3409m 。12.确定第技术套管下入深度 H2(1) 初选点 H i2试取 H =310 mi参考临井基本参数, =1.60g/cm , =1.12 g/cm310f3pmax3由公式 3-2=1.12+0.036+0.03+(34090.060)310f2k=1.846 (g/cm )f 3
20、因为 80m2cbKb从而实际用钻杆：80-27.3=52.7m校核抗挤度：P 外挤= =1.1 1000 9.8 （80-27.3）gh0.568MPa 310m2FcbKb从而实际用钻杆：310-118.3=191.7m校核抗挤度：P 外挤= =1.15 1000 9.8 （310-118.3）gh=2.1605MPa2000m2FacbKb从而实际用钻杆：2000-218.4=1781.6m。校核抗挤度：P 外挤= =1.25 1000 9.8 （2000-218.4）gh=21.825MPa50+20+73.18,所以 V 143.18 m ,V =160m 。原 原 原 35.3 钻
21、井液密度的转换5.3.1 一次开钻时由公式 5-4W = =加 重加 原重原加 ）（ V33210.21)0(（ 3310)2(5.6W =48(t) 加所以加入黏土的量为 48tQ =V - =160- =112m水 原 水 土3104835.3.2 一次开钻到二次开钻时需要重晶石质量由公式 得VG重原 加 原重 重 加G = =4.032t重 3310)56.24(160所以需加重晶石 4.032t。6 钻井水力参数设计6.1 泵的选择6.1.1 保证井壁不被冲刷的相关公式Z= （6-1）KnvDn387.02aPH5)(.17式中 Z 流态值，808；D 井眼直径，cm ；HD 钻具外径
22、，cm ；Pn 流性指数 ；K 稠度系数,Pas ；n钻井液密度，g/cm 。3Q = (D （6-2）max4)2PHDaQ = (D （6-3）in)2Psl6.1.2 临界井深的确定公式1第一临界井深Dcr = （6-4）11.8r0357aPmQ式中 a=k +k -m L （6-5）gcck = m L (6-6)ppk =0.51655 ( + + + ) (6-7)g8.0d2.pv4.81.2d4.83.Lk = L + (6-8)P8.0d2.pv8.4piB8.1phph)()(570.k = L + (6-9)c8.0d2.pvc4.8i5161.8ch3ch)d()(d
23、.式中 d ,d ,d ,d 地面高压管线，水龙带和水龙头，方钻杆的内径，m 1234；L ,L , L ,L 地面高压管线，水龙带和水龙头，方钻杆的长度，m 1234；d ,d ,d ,d 分别为钻杆,钻铤的内径和外径，m ；piciB 常数，内平钻杆取 0.51655；L ,L 分别为钻杆和钻铤的长度，m；Pck ,k ,k 分别为地面管汇，钻杆内外，钻铤内外的压力损耗系数；gpd 井径，m；hd 钻具外径，m；c 钻井液的塑性粘度，Pas；pvP 泵的最大工作压力，kW；rQ 泵的最大排量，m /sr 32 .第二临界井深D = (6-10)crPa35708.1rQ 钻井液携带岩屑最小
24、速度对应泵的排量，m /s 。a 36.1.3 一开时泵的排量计算D =444.5 mm , D =139.7 mm ,n=0.65 ,K=0.3 ,Z=808 , =1.1g/cmHP 31.2ams(6-11)casl(6-12)2310.7sdsl e(6-13)23nnhpeadK由公式(6-11) (6-12) (6-13)得携岩最低返速=0.6(m/s)sl由公式 6-2Q = (D = ( ) 1.21max4)2PHDa420.527.139Q =167.73(l/s)由公式 6-3Q = (D = (0.4445 0.61min4)2PHsl4)1397.022Q =83.8
25、68(l/s)i6.1.4 二开时泵的排量计算D =215.9 mm , D =139.7 mm ,n=0.65 ,K=0.3 ,HPZ=808 , =1.1g/cm 31.2ams(6-11)casl(6-12)2310.7sdsl e(6-13)123nnhpeadK由公式(6-11) (6-12) (6-13)得携岩最低返速 =0.6(m/s)sl由公式 6-2Q = (D = ( ) 1.21max4)2PHDa42159.027.3Q =25.53(l/s)由公式 6-3Q = (D = (0.2159 0.61min4)2PHsl4)1397.022Q =12.76(l/s)i6.
26、1.5 三开时泵的排量计算D =215.9 mm ,D =127 mm ,n=0.65 ,K=0.3 ,Z=808 , =1.25g/cm 。HP 3由公式 6-2Q = (D = (0.21593max4)2Pa4)127.0.Q =28.72(l/s)由公式 6-3Q = (D = (0.2159 0.6 min34)2PHDsl4)127.0Q =14.36(l/s)i表 5-1 泵的参数表井段 泵型 钢套直径（mm）最大工作压力（MPa）泵速 （冲/分）柴油机转速（rpm）额定排量（l/s）一开 3 台 3NB-1300A 160 24 112 1400 34.32二开 1 台 3NB
27、-1300A 150 27 112 1400 30.17三开 1 台 3NB-1300A 150 27 112 1400 30.176.2 临界井深的计算6.2.1 三开时第一临界井深的确定当三开时，d =112mm,d =127mm,d =71.4mm,d =152.4mm, pipcicd =0.2 m , =1.156 g/cm , =0.023Pas,d =d =d =d =0.120m, hd3pv1234=50m,L =30m,L =20m,L =16m。1234由公式 6-7 K =0.12975(1.156 10 ) 0.023 ( + + + )g38.02.04.8514.
28、83024.814.8602K =5.346 410由公式 6-6 0.830.24.831.819750.141.256 62727pmL=3.22 6由公式 6-10K =(0.001156) 0.023 2.0366 + c8.04.8197531.80.14(25)(2.5)K =c419.由公式 6-5n=5.346 218.4 644102.38.0n= 519.2由公式 5-4Dcr = = -11.8r0357aPmQ8.167202.5365094Dcr =3785.36（m）16.2.2 泵的工作状态的选择因为 Dcr 2000 m ，所以全井段泵都以额定泵功率工作,即：
29、=30.171 opQ。Ls6.2.3 喷嘴 射流速度及射流冲击力的设计因为喷嘴的当量直径：d =e42081.bdPCQ又 DD pc所以=P -（n+mD）Q =27.99-bprr8.1(2.94 +3.22 28.72 =27.32cm5106)208.1当量直径 de= =2.12cm428.brdPC若采用三个等直径的喷嘴时：d1=d2=d3= =1.23cm3ed射流速度：Vj=10 = =165.622241dQr23.14780sm射流冲击力：Fj= =5.499KN2410d射流水功率：Pj= =12.54MPa23)41(5.dQ7 注水泥设计7.1 水泥浆的用量7.1.
30、1 水泥浆体积的计算1.封固表层套管水泥浆体积的计算D =444.5 mm ,D =339.7 mm ,L =80m ,d =322.9 mm,h =13 m,h =5 m 1H1S1112。V =1.1 + +1T80)397.45.0(22 3)29.(454.02V =7.514(m )132.封固技术套管水泥浆体积的计算D =215.9mm ,D =139.7 mm ,d =228.7 mm , L =310 m , h =13 m,h =5 2H2S2112m 。V =1.1 (0.2159 -0.1397 ) 310+ 0.2287 13+ 0.2159 52T4224242V =11.3(m )233.封固油层套管水泥浆体积的计算D =215.9 mm ,D =139.7 mm ,d =124.3 mm ,3H3S3L =2000 m , h =13 m,h =5 m ；12V =1.1 (0.2 -0.1397 ) 2000+ 0.1243 13+ 0.2 53T424242V =32.6(m ) 。3T37.2 所需干水泥的用量7.2.1 干水泥质量的计算1. 封固表层套管W =K V q=1.05 7.514 1.286=10.146(t)1T1
